（机械工程专业论文）反馈控制旋转式流量阀设计及实验研究.pdf

摘要 摘要 随着微电子技术的发展，特别是单片机价格低廉，液压数字阀应运而生，成为了连 接大功率控制对象和微电子技术的桥梁。数字阀是用数字信号直接控制液压阀的流量、 压力和方向。数字阀与传统液压阀相比，数字阀直接与计算机或者单片机相连、不需要 d a 转换器、性价比高、对污染敏感度低，操作简单灵活。在液压控制技术方面具有广泛 的应用前景，是目前流体传动发展的一个重要方向。 本文设计了一种旋转式流量阀，可与步进电动机直接相连，单片机发出脉冲序列， 控制步进电动机转动，步进电动机直接驱动阀芯转动，改变流量阀的开口面积，从而控 制流量阀的流量。省去传统流量阀与步进电动机之间的机械式转换器( 滚珠丝杠或凸轮 机构) 。对流量阀进行结构分析、计算后，得出流量阀节流口面积与步进电机转角之间 的关系，将流量阀流量控制转化为对步进电机转角的控制，使控制变得简单。并依据易 于控制原则设计了单片机硬件电路和系统软件，本反馈控制系统主要由流量阀进出口压 力传感器、步进电动机转角传感器、步进电动机、单片机以及接口电路组成，单片机是 本控制系统的核心。 流量阀实时流量依据流量公式计算得出，流量系数c 和节流口形式参数m 的选择 不准确，会造成实时流量的计算不准确，流量阀流量得不到准确控制。本文进行了实验 台搭建，计算出流量阀在不同开口角度下的流量系数c 和节流口形式参数m ，最后用最 小二乘法拟合出曲线并得出奇函数。单片机根据此流量阀在各开口下的实际流量系数c 和节流口形式参数m 计算出实时流量与所需流量进行比较，计算出偏差，得出步进电 动机的转动方向及转动角度，并控制步进电动机转动，实现对流量阀流量的精确控制。 关键词旋转式流量阀；单片机；流量系数；节流口形式参数 a b s t r a c t w i t hd e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g i e s ，d i g i t a lh y d r a u l i c v a l v e sh a sb e e n i i l v e n t e db e c a u s eo ft h ec h e a ps b c ( s i n g l eb o a r dc o m p u t e r ) a n ds i n g l ec h i pa n dh a s b e e nt h e b r i d g eb e t w e e nc o n t r o l l i n gh i g hp o w e re q u i p m e n ta n dm i c r o e l e c t r o n i ct e c h n o l o g y d i g i t a l v a l v e sa i eu s e dt oc o n 仃o lf l o w , p r e s s u r ea n dd i r e c t i o nd i r e c t l yb yd i g i t a ls i g n a l c o m p a r e d w i t h t h et r a d i t i o n a lh y d r a u l i cv a l v e ，d i g i t a lv a l v ei sc o m m u n i c a t e dw i t hc o m p u t e ro rs i n g l ec h i p 谢t l l o u td a 锄l s f o m e ra l l di th a sh i g hc o s tp e r f o r m a n c e ，i n s e n s i t i v et op o l l u t i o n ，o p e r a t i o n a l a g i l i t y b e c a u s ei th a ss om a n ya d v a n t a g e s ，i tw i l lb ew i d e l ya p p l i e d t oh y d r a u l i cc o n t r o l l i n gi n t h ef u t u r ea n di sa ni m p o r t a n td i r e c t i o no fl i q u i dd r i v i n g i nt h i sa r t i c l e ak i n do fr e v o l v i n gf l o wv a l v eh a sb e e ni n v e n t e dw h i c h i sc o n n e c t e dt os t e p m o t o r w h e nt h es i n g l ec h i ps e n d so u tp u l s e ，t h es t e pm o t o rr o t a t e sd r i v i n gt h ev a l v ec o r e c h a n g i n gt h ea r e ao fv a l v eo r i f i c ei no r d e rt om o d u l a t et h ef l o w i n t h i sw a y , i tc a ne l i m i n a t e t h en l e c h a n i c a lt r a n s f o 啪e rw h i c hi sl o c a t e db e t w e e ns t e pm o t o ra n d f l o wv a l v es u c ha sb a l l b e a r i n go rc a mg e a r b ya n a l y z i n ga n dc a l c u l a t i n ga c c o r d i n gt o t h es t r u c t u r eo fv a l v e ，t h e r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ev a l v eo r i f i c ea r e aa n dt h es t e pm o t o rr o t a t i n ga n g u l a rh a sb e e n a c q u i r e d i nt h i sw a y , t h ec o n t r o l l i n gw a y w h i c hc o n t r o l st h ef l o wi sc h a n g e dt oc o n t r o lt h es t e p m o t o rr o t a t i n ga n g u l a rs i m p l i f y i n gt h ec o n t r o l l i n gw a y a c c o r d i n gt ot h ep r i n c i p l eo fe a s i l y c o n t r o l l i n g ，t h es i n g l ec h i ph a r d w a r ec i r c u i ta n dc o n t r o l l i n gs o f t w a r eh a v eb e e nd e s i g n e d t h e f e e d b a c ks y s t e ma r ec o n s i s t e do fi n l e ta n do u t l e tp r e s s u r es e n s o r , s t e pm o t o rr o t a t i n ga n g u l a r s e n s o r , s t e pm o t o r , s i n g l ec h i pa n di n t e r f a c ec i r c u i t t h es i n g l ec h i pi st h e c o r eo ft h es y s t e m t h er e a lt i m ef l o wo ft h ev a l v ei sc a l c u l a t e da c c o r d i n gt ot h ef o r m u l a i ft h ed i s c h a r g e c o e f f i c i e n tca n dt h ef o r mp a r a m e t e ro ft h r o t t l e o r i f i c emw e r en o te x a c t l yc h o s e n ，t h e c a l c u l a 矗o nr e s u l to fr e a lt i m ef l o wi sp o o ra n dt h ef l o wo ft h ev a l v ec a nn o tb ec o n t r o l l e d p r e c i s e l y i nt h i sa r t i c l e ，t h ee x p e r i m e n tp l a t f o r mh a s b e e nc o n s t r u c t e d b yt h ee x p e r i m e n t , t h e d i s c l 蝣ec o e f f i c i e n tca n dt h ef o r mp a r a m e t e rm h a sb e e nc a l c u l a t e d a tl a s t ，t h e ya r ep l o t t e d b vt h el e a s ts q u a r em e t h o da n dt h ef u n c t i o n sa r ea c q u i r e d s i n g l ec h i pc a l c u l a t e st h er e a lt i m e f l o ww h i c hi sc o r r e s p o n dt ot h ec o e f f i c i e n tca n d f o r mp a r a m e t e rma n dc o m p u t e st h e d e v 枷o nb yt h ec o m p a r i s o nw i t ht h en e e d e df l o w t h e na c c o r d i n g t ot h ed e v i a t i o n , s i n g l ec h i p c a l c u l a t e st h es t e pm o t o ra n g u l a ra n dd r i v e st h es t e pm o t o rt or o t a t ei no r d e r t oe x a c t l yc o n t r o l t h ef l o wo ft h ev a l v e k e y w o r d s r o t a t i n gf l o wv a l v e ；s i n g l ec h i p ；d i s c h a r g e c o e f f i c i e n t ；t h r o t t l eo r i f i c e f o r m p a r a m e t e r n l 绪论 1 绪论 1 1 引言 微型计算机的发展为液压系统的数控化提供了必要的条件，而实现液压系统数控化 的关键部件是数字流量阀，因为流量阀决定着整个液压系统的基本性能。通过搭建试验 台测量出流量阀的基本参数，并据此计算出其流量系数c 及节流口形式参数m ，流量阀 反馈控制系统根据计算出的c 与m 值计算出其实时流量的精确值，此值与设定值相比 较得出差值，控制系统据此控制传动部分调节节流口的开口面积，从而达到精确控制系 统流量( 速度) 的目的。 1 2 数字液压控制系统 数字化控制在液压系统l l 吲方面的应用在逐步扩大，液压系统也逐渐从传统开关型 控制方式向数字式控制方向发展【3 】。数字式控制是指控制信号的主要部分是以数字量的 形式来进行的控制形式。 数字式液压控制系统的控制方式根据分类方法的不同主要有以下两种： ( 1 ) 根据控制信号分为数字信号与模拟信号混合控制方式和脉冲调制控制方式两 种。其中脉冲调制控制方式分为脉频调节控制方式、脉宽调节控制方式、脉幅调节控制 方式及脉码调节控制方式： ( 2 ) 根据控制方式可分为间接式和直接式数字控制。 1 2 1 问接式数字控制 间接式数字控制是通过传感器采集到液压执行机构的位移、速度等信号，通过a d 或者d a 转换器将其转换成为单片机可处理的数字信号再反馈给单片机控制系统，实现 闭环控制。单片机控制系统通过运算得出校正值，并依据此值控制执行机构运动，使其 达到精确控制。此种控制方式精度高，频率响应快，但成本高。系统框图见图1 1 。 图1 1 间接式数字控制系统框图 1 2 2 直接式数字控制 直接式数字控制是通过数字式传感器采集反馈信号来构成反馈回路，不需要使用 东北林业大学硕一 j 学位论文 d a 和a d 转换器；如果控制系统要求精度不高，还可采用开环控制方式。具体又可分 为增量式数字控制和微机脉宽调制。 ( 1 ) 微机脉宽调制 微机脉宽调制主要核心部件是脉宽调制器( p w m ) ，p w m 器d a 转换器的作用， 将数字信号转换成为模拟电压值，调制信号经功率放大器放大后，直接控制液压阀工 作，进而控制液压执行机构工作。系统框图见图1 2 。 图1 - 2 微机脉宽调制系统框图 ( 2 ) 增量式数字控制 增量控制方式是由脉冲数字调制法演变而来的一种数字控制方法，是在脉冲数字信 号的基础上，使每个采样周期的步数在前一采样周期的步数上增加或减少一些步数，而 达到需要的幅值。控制的对象主要是数字元件步进电动机，步进电动机每得到一个脉冲 信号，便沿着控制信号给定的方向转动一个固定的步距角，步进电动机的转角与输入的 脉冲成正比。步进电动机的转动经由机械式转换器( 滚珠丝杠或凸轮机构) 转换成直线 运动，直接驱动阀芯移动。该系统重复性好、无滞环、抗污染能力强，省去了价格昂贵 的d a 转换器和线性放大器。系统框图见1 3 。 图1 - 3 增量式数字控制系统框图 1 3 研究目的和现实意义 从2 0 世纪9 0 年代开始人类已经进入了数字化、信息化、知识化的时代，计算机不 再只和计算有关。它决定我们的生存! 尼葛洛庞帝的这句名言j 下是数字化时代的一个很 好的表述 4 1 。 流量阀是流体传动中不可或缺的功能单元。一方面，流体传动系统的优化升级需要 提高流量阀相应性能；另一方面，流量阀本身的创新也给流体系统带来了新的活力。如 今，流量阀在体积、性能、能耗、智能化、制造加工工艺等方面都有了极大的发展。随 l 绪论 着液压技术与电子技术、i t 技术以及网络技术的融合，流量阀进入了数字化时代 5 - 6 】。 传统液压技术主要是结合各种自动化控制算法的开关控制，比例控制和伺服控制， 是一种模拟量控制技术，这种控制系统结构复杂，可靠性差，易m 故障，价格昂贵，只 有专门的自控专业人员才能掌握，不利于大规模的推广应用【l l 。随着微电子技术的不断 发展，特别是性能价格比高的单片机的发展，为设备实现简单可靠的在线实时控制提供。 了物质技术基础，在很大程度上推动工业生产向自动化和智能化方向发展。为实现液压 设备的精确、快速控制，将液压传动系统与计算机相结合，推动各种数字控制技术及数 字元件发展得更快。最早的数字液压控制系统主要是数字模拟混合式伺服系统，此数字 模拟混合式伺服系统主要由计算机控制微型先导及开关阀和模拟式电液伺服阀构成，这 些系统都不能与计算机直接连接，都需要经d a 转换器进行转换，未发挥出数字计算机 的优点。为了解决这一问题，必须研制出能进行直接电液转换的元件，数字阀就是为适 应这种需要而产生发展起来的f 7 1 。 与传统的液压流量阀相比，数字流量阀的突出优点是，可直接接收数字信号，不需 经d a 转换器，结构简单，所以操作维护更简单；工艺性好，性价比高；而且数字阀的 输出量准确、由脉冲频率或宽度调节控制，抗干扰能力强，所以对负载变化不敏感，用 于变负载场合，更能发挥其优越性；抗污染能力强，重复性好；功耗小：数字阀系统无 论用于开环控制，还是闭环控制均具有较高的分辩率和较小的滞后；摩擦、磁滞和非线 性对数字阀系统的影响比模拟阀小得多；具有原点恢复机能，从而防止了积累误差；同 样具有液压能的放大作用，故特别适用于大功率( 大的力或大力矩) 的场合，以及需要安 全防火等特殊场合【8 q 。 与国外先进水平相比，我国的液压产品仍然存在着比较大的差距，我国液压产品与 国外同类产品相比，我国的液压产品结构复杂、工艺性差、可靠性低、寿命短、质量不 高、早期故障比较多。所以数字流量阀的研究目标是，系统结构简单、性能可靠、操作 简单、成本低，同时提高其分辨率、减小振动和噪声i s 】。 目前，数字流量阀主要应用在电液比例阀的先导级、汽车燃油量控制等先导控制和 中小流量控制的场合；在压铸机、注塑机、液压机等很多大型设备和速率控制的场合也 有广泛的应用：另外，在磨床、大惯量工作台、变量泵的变量机构、飞行器的控制系统 中电液数字阀也有所应用。 综上所述，基于数字流量阀的这些优点，所以有必要对流量阀的反馈控制及实验系 统进行深入研究。 1 4 国内外研究现状 自从上个世纪八十年代初至今，数字阀已诞生有三十年，其中美国；欧洲、日本和 中国等国都相继开展了数字阀的研究，并将其应用在各行各业当中，其性能和功能与最 初相比有了很大的发展。 东北林业大学硕。 ：学位论文 1 4 1 国外现状 近几年数字化流体控制系统在国内外有了长足的发展，并且受到越来越广泛地关 注。其优点在于，数字控制组件控制精度高，响应速度快，通过脉宽调节控制步进电机 地旋转可以精确地定位阀口的开度。其中，日本已经在数字流量控制系统方面取得了世 界领先地位，但是，美国、法国、英国和加拿大等国家也进行了研究和应用。日本东京 计器公司的数字式方向流量控制阀、流量阀和压力阀都已经做成产品成品出售，输出流 量范围为l 5 0 0 l m i n ，压力可以达到2 1 m p a ，输入脉冲数为1 0 0 - - 1 2 6 ，精度很高，滞环 精度和重复特性均不超过0 1 。1 9 8 4 年，美国b k m 公司推出一种三通球形插装式高 速电磁开关阀，柴油机中压共轨电控燃油喷射系统中常应用这种阀，该阀在工作压力为 1 0 m p a 时，开启时间和关闭时间分别为3 m s 和2 m s 。同年，日本的田中欲久等人也研制 出两种高速电磁开关阀( 二通阀和三通阀) ，三通阀响应时间很短，不足3 m s ，工作压 力为7 m p a ；二通阀的开启时间和关闭时间分别为3 3 m s 和2 8 m s ，工作压力为1 5 m p a 【1 2 1 。1 9 8 7 年，日本高谷技术公司研制出新型r c v 旋转式数字方向流量控制阀，该阀结 构简单、制造容易、造价低廉。目前，日本已经开发出规格齐全，性能稳定的增量式数 字产品【1 3 1 。 到了二十世纪八十年代中、后期，德国b o s c h 公司成功研制出一种开启时间和关闭 时间分别为0 3 m s 和0 6 5 m s 的高速电磁开关阀，这种阀能在超高压条件下工作。日本 的宫本正彦等人也成功研制出一种三通型超高压高速电磁开关阀，此阀的响应时间为， 开启时间：0 3 5 m s ，关闭时间：0 4 m s ，工作压力为1 2 0 m p a 。但是这几种超高压高速 电磁开关阀的工作流量都比较小【1 4 1 。 m r c 公司生产的在低温环境下工作的流量阀已经作为成品出售，但作为典型的低 温工作元件体积过大；b a t c 公司研制出一种小型低温阀，此阀在超低温情况下依旧可 以工作【1 5 1 羽。 m o o g 公司的直动式数字伺服比例阀已经能够实现c a n 总线通讯，并且在阀工作 时还能对其进行实时调整。博士力士乐公司在数字阀应用中取得较大成果，其新近开发 的数字阀几乎实现了控制器的所有功能，控制器能与上位机进行实时通讯，是最先进的 数字液压控制。a t o s 公司的数字阀已经实现标准化，这些产品有故障在线诊断、存储 等功能【1 蛆1 1 。 在国外，近年来数字阀被广泛应用在工程机械和汽车的液压伺服系统中：在日本、 德国等国家，农业机械、运输设备、机床、航空等领域也广泛的用到了数字阀【l o l 。 1 4 2 国内现状 我国开展液压数字阀的开发研制工作比国外相对晚一些，所开展的工作主要是针对 数字阀样品及其配套的驱动装置的自主研发或者合作开发，并且一直跟踪国外的研究， 针对实现数字阀高速相应能力进行基础理论研究。我国已经研制出步进电动机控制的各 类液压气动组件( 如数字泵、液压数字阀、数字缸等) 和脉宽调制型各类数字液压气动 i 绪论 组件。贵州红林机械厂与美国b k m 公司经过三年多的合作，研制成功了h s v 系列高 速电磁开关阀，此阀的开启时间和关闭时间分别为3 m s 和2 m s ，额定工作压力为 2 0 m p a ，额定流量为2 - 9 l r a i n ，该阀的结构为螺纹插装式，是脉宽调制式直接控制数 字阀的代表。广州机床研究所研制成功的s z q f 8 1 6 数字调速阀、s z y - f 6 b 数字先导溢 流阀、8 4 s z f 1 0 6 8 b 数字换向阀和s z y - f 1 0 b 数字溢流阀是步进电动机增量式直接控制 数字阀的主要代表【l 引。 北京航天工业总公司一院研制的数字量调节阀，它可以直接接收由计算机发出的脉 冲信号，并且根据这些信号进行开关动作，而不需要经过d a 转换器将数字信号转换成 模拟信号。既可以实现开环调节，也可以实现闭环调节。此数字量调节阀采用步进电动 机作为动力驱动装置，根据传动系统和执行机构的需要，确定采用直线型运动还是旋转 性运动【引。 国内的许多大专院校也相继开展了数字阀的研究，如浙江大学、重庆大学、上海工 业大学、西安交通大学、哈尔滨工业大学等，并有研制产品应用于生产实际，如：浙江 大学研制的数字阀已于1 9 8 6 年通过技术鉴定，此数字阀是由全盘式电磁铁与锥阀组合 而成的快速开关式数字阀。浙江工业大学研制出了具有良好控制特性的2 d 电液数字换 向阀，并发出了此阀的实验报告和步进电动机的连续跟踪控制算法。上海大学对基于二 进制原理的气动数字流量阀和步进式数字溢流阀进行了深入研究。尽管如此，由于目前 应用还局限于很小范围，所以国内尚未形成系列产品1 1 3 】。 1 5 研究的主要内容 设计了一种流量控制阀，该流量阀通过改变节流口的面积实现流量调节。当输出负 载发生变化时，控制阀进出口的压力差会随之变化，通过控制阀进出口压力传感器可以 测得进出口压力并传给控制器。控制器根据采集到的压力信号计算出进出口压力差，并 根据流量公式求出开口面积，然后发送相应的脉冲信号来控制步进电机带动阀芯转动， 改变节流口面积，从而控制出口的流量。 在进行流量计算时会遇到流量系数c 及节流口形式参数m 选择的问题，不同的流 量阀由于其结构、尺寸、型式不同，其流量系数c 与节流口形式参数m 值也不相同。 由于流量系数c 只能通过实验求得，所以现在根据工程经验选取的流量系数c 的值 ( 0 7 ) 不是其准确值；节流口的形式参数m 是依据节流口的形状来决定的，通常当节 流口为薄壁孔时选择m = 0 5 ，当节流口为细长孔时选择m = l ，但流量阀节流口的形状不 是严格的薄壁孔或者细长孔，所以通过此方法得到的节流口形式参数m 值也不是准确 值。 因此本课题研究的主要内容是搭建数字化试验台，将控制器与液压试验台相连接， 求得此流量控制阀的流量系数c 与节流口形式参数r n ，将此值带入流量公式即可求得实 时流量的准确公式，控制器通过该公式控制出口流量，使出口流量得到精确的控制。 综上所述，本文的主要内容如下： 东北林业大学硕：l 学位论文 ( 1 ) 机械结构设计：设计一种旋转式流量阀，确定其安全工作压力的大小，并得 出其流量参数的计算方法。 ( 2 ) 硬件系统设计：硬件电路设计主要包括信号处理及逻辑控制单元电路、输入 接口电路、输出接口电路和a d 转换电路等几大功能模块的电路设计。 ( 3 ) 软件系统设计：根据硬件电路设计方案对整个系统进行软件设计，主要包括 主程序设计和各功能模块的程序设计。主程序主要是对运行系统进行管理和监控，协调 管理各软件功能模块。各功能模块主要完成对外部信号的采样、存储和进行数学运算。 ( 4 ) 试验台的搭建及实验数据分析：搭建实验台进行实验，控制系统依据测量出 的流量阀的基本参数，计算出其流量系数c 及节流口形式参数m ，从而计算出精确的流 量值，控制系统控制传动部分调节阀芯的转角，达到精确控制系统流量( 速度) 的目 的。 2 旋转式流量阀结构设计 2 旋转式流量阀结构设计 2 1 流量阀的结构设计 本课题所设计的流量阀为转阀，实现了步进电动机轴与阀芯直接相连，省去了传统 的增量式数字控制阀在步进电动机与阀芯之问的“机械式转换器”。机械式转换器的作 用是将步进电动机的转动转换为直线运动，机械系统具有较大的惯量，响应速度慢，这 会给控制系统带来很大误差。步进电动机直接与阀芯相连，步进电动机转动时就会带动 流量阀阀芯转动，步迸电动机转过的转角即为流量阀阀芯转过的角度，不仅使结构变的 简单，而且使数字控制变得简单、方便、精确。 此流量阀为转阀，主要由阀体、阀套、阀芯、阀盖四个部分构成，其材料为4 5 # 。 流量阀的装配图如图2 1 ( a ) 所示，三维装配图和剖视图如图2 1 ( b ) 和( c ) 所示， 实物图如图2 1 ( d ) 所示。 1234 ( a ) 1 左端盖；2 阀体；3 密封圈 4 右端盖：5 阀套：6 阀芯 ( b ) 东北林业大学硕j 二学位论文 ( d ) 图2 1 流量阀裟配图、二维装配图、剖视图及实物图 2 2 流量阀阀芯强度计算 2 2 1 进行强度计算的方法 目前进行强度计算的方法通常有解析法和有限单元法。 解析法是。种能够通过数学表达式来分析问题的一种方法，通过运用材料力学相关 公式，能够计算出结构强度，并能定量地分析出各参数f n j 对强度的影响，以及参数之f n j 的相互关系，但由于在建i 数学模型时必然会作一。些条件假设，其计算的结果往往也是 不精确的，而且只能计算一些结构比较简单或者由简单结构组成的相对复杂的结构体， 并且需要较好的数学能力。 有限单元法是在当今技术科学发展和工程分析中获得最广泛应用的数值计算方法。 由于它的通用性和有效性，受到工程技术界的高度重视。伴随着计算机科学和技术的快 速发展，现已成为计算机辅助工程和数值仿真的重要组成部分。为了充分利用计算机这 一有利的工具。最早对杆系结构采用了矩阵方法，其后将其推广到连续介质，把连续介 质离散化为有限个单元的集合进行分析，发展成为今天的有限元法。有限巾元法的优点 在于能够计算不规则或复杂结构，将其进行离散化，计算出最终的结果。虽然有限单元 法只是一种近似的计算方法，但随着划分有限单，己的密度增加( 即嘲格密度增加) ，其 计算结果将收敛于精确解，但同时也对计算机的性能提出了更高的要求。 目前用于工程计算的有限元软件有多种，如a n s y s 、n a s t r a n 、a b a q u s 等。 本文采用目前被广泛科研工作者使用的a n s y s 有限元分析软件【2 2 1 。 2 2 2 计算软件 a n s y s 是国内目前应用非常，“泛的商业化有限冗软件之，其三维建模的功能让 使朋者一h 了然，并且操作简单，计算精度高，因此备受广人科研工作者的青睐。 a n s y s 有限元软件主要分为预处理和后处理两大模块，预处理模块用来进行材料参数 设置和建模等预处理工作，后处理模块则用来输出计算结果。总之，a n s y s 在机械、 十木、电子：【：程、流体力学、航空和能源方面得到了长足的发展。 a n s y s 在结构分析方面可以实现静态分析和动态分析，其中静态分析常用于分析 结构的强度、刚度、变形量和稳定性，如板的弯曲变形。而动态分析则常用于分析结构 随外部激励的位移量或者变形量，如谐响应分析和瞬态分析。 2 2 3 阀芯的强度分析 由于阀的强度校核属于静力分析方面的内容。因此，本文利用a n s y s 的静力分析 功能来校核流量阀阀芯的强度，使其工作在安全的液压范围之内。结构静力分析能求解 出在外载荷作用下所引起的位移、应力和力【2 3 l 。 分析过程如下： ( 1 ) 材料参数的确定 根据设计要求，流量阀的材料采用4 5 号钢，其材料参数如表2 1 所示 材料参数数值 密度( 9 ) 7 8 5 0 k m 弹性模龄( e ) 2 0 6 x1 0 “p a 泊松比( 0 ) 0 2 6 9 ( 2 ) 阀芯的建模 由于阀芯是流量阀的核心元件，随接承受着液压油的载荷。凶此，在强度分析中主 要针对阀芯进行建模分析。本文采用自顶向下的方式对阀芯进行建模，其优点在于建模 方式简单，结构参数便于调整，容易实现参数化设计( a p d l ) 。其建模的结果如图2 2 所示。 ( 3 ) 网格划分 网格划分是有限元理沦的关键步骤，其精度的好坏将影响着仿真结果的准确性。 a n s y s 软件将网格精度等级划分为1 0 个等级，本文采用第5 级的网格划分精度，其网 格划分的结果如图2 3 所示。 ( 4 ) 加载 通过在阀芯的内表面进行加载可以计算出阀芯所受的应力，从而分析出阀芯所能承 受的液压载荷，即阀：笛的额定压力。 ( 5 ) 计算 对模型加载完毕之后就可以进行计算，a n s y s 会根据有限元的算法理论对其进行 应力计算，得出各种计算结果( 应力和位移等) 。 由于流量阀随阀j 签开口角度的大小来调整其流量。因此，应当对各种丌口工况下阀 芯的强度进行计算，从而得到阀芯的最终计算强度。图2 4 为各种开e l 角度下阀芯的径 向应力值，( a ) 阀芯开1 5 1 角度为0 度，( b ) 阀芯开口角度为3 0 度，( c ) 阀芯开口角度 为6 0 度，( d ) 阀芯开口角度为9 0 度。 ( a ) ( b ) 根据以上计算结果对阀芯在不同工况下的圆周方向和径向所承受的最大应力值进行 2 旋转式流量阀结构设计 总结，其结果如图2 5 所示，( a ) 为阀芯周向应力图，( b ) 为阀芯径向应力图。 1 0柏3 0柏轴 压力l 啪时 ( a ) 1 qz uj u4u，u 压力l m p - ( b ) 图2 5 阀芯应力图 从图中可以看出，阀芯在圆周方向上所承受的主应力远小于径向方向的主应力。因 此，其主要针对径向方向的主应力进行分析，并确定阀芯的额定工作压强。4 5 号钢的许 用拉应力计算公式如下： 【】吒xs 式中【卜- 4 5 号钢许用拉应力； 吼4 5 号钢屈服强度极限； r 安全系数； 根据材料参数手册查得4 5 号钢的屈服强度为3 5 0 m p a ，本文安全系数选为o 8 ，则 其许用拉应力为2 8 0 m p a 。由图( b ) ，在开口角度为3 0 度的工况下，其径向主应力值比 较高，当应力值为2 8 0 m p a 时，液体压力约为2 8 m p a 。因此，本文建议流量阀的安全工作 压力为2 5 m p a 为适宜的额定工作压力。 蚰 加 呻 柚 钟 (也邑r值ki厦置 湘 啪 瑚 抛 啪 o t正舌r谨长噬匠础 东北林业大学硕卜学位论文 2 3 流量阀控制系统的工作原理 流量阀控制系统系统框图如图2 - 6 所示。进油口p 1 ，出油口p 2 ，当阀芯转过开口 角度后，封住节流窗口。以单片机作为控制器，控制步进电动机转动，从而控制流量阀 阀芯的转动，工作时流量阀阀芯转过一定的角度，节流口打开，油液从进油口p l 流 入，经节流口从出油口p 2 流向执行器。当阀芯转动时，可以改变流量阀的流通面积， 从而改变流量的大小。 图2 - 6 流量阀控制系统框图 当输出负载发生变化时，流量阀进出口的压力差也会随之发生变化，使流量也发生 变化。流量阀进出口压力传感器测得进出口压力并传送给控制系统，控制系统根据采集 到的压力信号计算出进出口压力差，并根据流量计算公式q = c z ( 卸) ”求出节流v 1 开口 面积，然后发送相应的脉冲信号来控制步进电动机带动阀芯转动，改变节流口面积，从 而控制出口的流量。当出口压力减小时，进出口压力差增大，此时电动机带动阀芯转动 使节流口面积减小，从而保持输出流量不变。反之，当出口压力增大时，通过增大节流 口面积来保持流量不变。 2 4 参数计算 2 4 1 节流口面积的计算 如图2 7 所示。设节流口开度为x ，当阀芯转过转角q 时，x 值为： j x = ，一u - - - c o s ( o f + 秒1 ( 2 1 ) 2 、7 式中r 阀套上节流v i 宽度( m m ) ，由阀套尺寸知，= 1 0 5 r a m ； 卜阀芯的直径( n u n ) ，由阀芯尺寸知，d = 3 0 r a m ； 卜阀芯中心到开槽边缘的角度，阀芯尺寸知，秒= 4 5 0 ； 由图2 7 所示，节流口的面积为： a = 0 0 0 0 0 5 x ( 2 2 ) 2 旋转式流量阀结构设计 n ( 2 1 ) 带入( 2 2 ) 得 彳= 。5 ，一詈c 。s ( 口+ 秒) 由式( 2 3 ) 可知，节流e l 的面积与阀芯转角a 有关。 o 图2 7 开口度与转角的关系 ( 2 - 3 ) 2 4 2 流量阀流量计算 流量阀阀口的流量方程： q = c x 卸”a ( 2 4 ) 式中r 流量阀阀口的流量； c l 硫量系数： 卜流量阀进出口压力差； 聍一节流口形式参数； 彳节流口的流通面积。 流量系数c 目前国内通常采用的方法是根据工程经验选取常数0 7 ，流量系数c 与 节流口的形状、油液的粘度、液流状态有关；通常当节流口为薄壁孔时选择朋= 0 5 ，当 节流口为细长孔时选择m = 1 。节流口形式参数m 主要由节流口的形状来决定。 由于流量阀有内泄漏情况，会造成其在运行过程中产生流量系数c 与节流口形式参 数m 发生变化的情况。这种情况下流量计算公式中的流量系数c 与节流口形式参数m 都不是准确值，所以所得的计算流量值也不是精确值，因此流量阀流量得不到精确的控 制，搭建试验台求出流量阀的流量系数c 与节流口形式参数m ，见第五章实验研究。 2 4 3 流量系数c 及节流口形式参数n l 的计算方法 根据流量公式q = c x 卸”a 知，流量系数c 与节流1 ：3 形式参数m 与流量阀流量 东北林业大学硕 ：学位论文 q 、流量阀进出口压力差a p 、和节流1 3 开口面积a 有关，流量q 和进出口压力差a p 这 两个量均为可以测得量，所以为已知量，单位分别为l s 、m p a 。开口面积a 与阀芯转 角有关，只要知道阀芯转角就能根据式( 2 3 ) 求得流量阀开口面积，由此可知，阀开 v i 面积a 也为已知量，其单位为m m 2 。根据流量公式可以看出只有流量系数c 与节流 口形式参数m 为未知量。 在开口不变的情况下，多次改变流量阀的进1 3 压力，就可以得到多组流量q 和进出 口压力差a p 值。带入流量公式q = c x a p 胛a 中得： q l = c p 7 x a( 2 5 ) 将( 2 5 ) 和( 2 6 ) 相除得： 由( 2 7 ) 可求得m q 2 = c 卸? x a 尝= “ m 一- g 月垆。t g ( 2 6 ) ( 2 - 7 ) ( 2 8 ) 将m 值带入( 2 5 ) 或( 2 6 ) 即可求得c 。 改变开口面积a ，再依据上述方法操作，就能求得不同开口面积下流量系数c 及节 流口数m 。 2 5 本章小结 本章阐述了流量阀反馈控制系统的工作原理，设计了一种新型流量阀的结构，此阀 是依据阀芯的转动来改变节流口的面积，所以可将阀芯与步进电动机直接相连，省去了 机械式转换器，提高了控制精度。用a n s y s 对流量阀强度进行分析，得出流量阀安全 工作所能承受的最大压力。根据阀芯的结构特点，推导出流量阀节流口面积与阀芯转角 仅的关系函数，并给出了流量系数c 及节流口形式参数m 的计算方法。 3 反馈摔制系统硬件电路设计 3 反馈控制系统硬件电路设计 3 1 系统硬件设计原则 作为一个实现功能丰富、元器件复杂、独立工作的单片机系统，首先要考虑的就是 系统的硬件电路设计1 2 4 1 。一个单片机完整硬件电路系统主要由两部分组成，一是基本硬 件电路系统，其功能是用来实现单片机的基本工作，包括电源电路、时钟电路、复位电 路、掉电保护电路、外部程序存储器和外部数据存储器扩展电路( 当单片机内部程序存 储器和数据存储器的容量不能满足需要时) 以及i o 扩展电路( 当单片机的i o 接口数 量不足时) ；二是外围的设备电路，其设计原则是根据系统功能的需要在基本硬件电路 的基础上添加相应的硬件电路，如a d 转换电路、键盘电路以及显示器电路等【2 5 l 。 为使硬件电路设计合理，系统的电路设计应考虑到如下几个方面： ( 1 ) 高可靠性是单片机系统应用的前提，在系统设计的每一个环节，都应该将可 靠性作为首要的设计准则： ( 2 ) 为使硬件系统标准化、模块化，应尽可能选择典型电路，并符合单片机的常 规用法，提高设计的成功率； ( 3 ) 选用功能强大、集成度高的芯片来增加系统的可靠性。尽量朝“单片方向” 设计硬件系统，因为系统器件越多，器件之间相互干扰也越强，功耗也增大，也不可避 免的降低了系统的稳定性； ( 4 ) 选择目前应用比较广泛的芯片，便于更换，而且价格低廉； ( 5 ) 在满足了基本电路系统和外围功能硬件电路系统基础上要尽可能地余留i o ， 以便于系统的升级或添加其它外部功能。 ( 6 ) 简化外围硬件电路，在系统性能和速度允许的情况下尽可能用软件功能取代 硬件功能； ( 7 ) 单片机外围电路较多时，必须考虑其驱动能力。驱动能力不足时，系统工作 不可靠，可通过增设线驱动器增强驱动能力或减少芯片功耗来降低总线负载【2 4 1 。 3 2 单片机的选用 3 2 1 单片机的选用原则 当今市场单片机种类繁多，在实际应用中要根据具体情况来选择单片机的类型，虽 然没有一个固定的规范，但一般应遵循以下几条原则： ( 1 ) 根据任务需要选择单片的型号，并且应具有较高性价比； ( 2 ) 根据程序大小来确定是否选用外部程序存储器，如果单片机内部程序存储器 容量能够满足要求，则不需要选用外部程序存储器； ( 3 ) 选用的单片机是否集成了片内模块( 如：c a n 接口、p w m 接口) ，如果不具有 东北林业大学硕 = 学位论文 集成的片内芯片则考虑是否需要选用具有相应功能的外部芯片进行扩展，或者改选其它 型号的单片机； ( 4 ) 选用的单片机引脚数是否满足外部数据的输出，如果不够则考虑是否进行外 部端口扩展或者选用高档单片机； ( 5 ) 选用的单片机功耗是否过高，如果过高则考虑扩展外部电源或者选用功耗较 低的单片机1 2 6 1 。 在项目初期，选择适当的单片机，对后期的软件和硬件设计有很大的影响。根据以 上原则，对各种单片机进行比较，本系统选择a t 8 9 s 5 2 单片机。 3 2 2 控制核心元件a t 8 9 s 5 2 a t 8 9 s 5 28 位单片机是m c s 51 系列产品的升级版，a t m e l 利用自身优势技术一 一( 掉电不丢数据) 闪存生产技术对旧技术进行改进和扩展，同时使用新的半导体生产 工艺，最终得到成型产品。 3 2 2 1a t 8 9 s 5 2 主要性能 ( 1 ) 能够实现向上兼容，不需要更换现有的硬件系统； ( 2 ) 内部集成有8 k 字节的闪存，能够实现在线编程，便于程序的调试； ( 3 ) 可以反复烧写1 0 0 0 次： ( 4 ) 全静态操作：0 h z - 3 3 h z ； ( 5 ) 三级加密程序存储器； ( 6 ) 3 2 个可编程i o 口线； ( 7 ) 三个1 6 位定时器计数器； ( 8 ) 八个中断源； ( 9 ) 全双工u a r t 串行通道； ( 1 0 ) 低功耗空闲和掉电模式； ( 1 1 ) 掉电后中断可唤醒； ( 1 2 ) 看门狗定时器； ( 1 3 ) 双数据指针； ( 1 4 ) 掉电标识符； 3 2 2 2a t 8 9 s 5 2 功能特性描述 a t 8 9 s 5 2 具有功耗低、性能高的8 位单片机。由于其内部集成了8 k 的闪存，因此 具有在线可编程的功能，既降低了成本又便于操作，避免了反复烧写和购买昂贵的仿真 器的缺点。其优势还在于它的引脚与之前的8 0 c 5 1 系列的单片机引脚一致，能够实现向 上兼容，不需要更换现有的硬件的电路系统即可对系统硬件升级。因此a t 8 9 s 5 2 单片 机是8 0 c 5 1 的升级版。 a t 8 9 s 5 2 具有以下标准功能：8 k 字节f l a s h ，2 5 6 字节r a m ，3 2 位i o 口线，看 门狗定时器，2 个数据指针，3 个1 6 位定时器计数器，1 个6 向量2 级中断结构，全双 3 反馈摔制系统硬件电路设计 工串行口，片内晶振及时钟电路。另外，a t 8 9 s 5 2 可降至0 h z 静态逻辑操作，支持2 种 软件可选择节电模式。空闲模式下，c p u 停止工作，允许r a m 、定时器计数器、串 口、中断继续工作。掉电保护方式下，r a m 内容被保存，振荡器被冻结，单片机一切 工作停止，直到下一个中断或硬件复位为止。 3 2 - 2 3a t 8 9 s 5 2 引脚功能 图3 1 为p d i p 封装的a t 8 9 s 5 2 引脚图。 ( t 2 、p 1 0 l4 0v c c i f 2 e x ) p 1 1 23 9 p 0 o ( a